随着全球范围内对于节能减排及低碳经济的不断重视,为同时满足严格的排放法规及迅猛增加的燃油需求,通过优化燃料特性改善发动机燃烧过程受到了内燃机燃烧领域研究者的重视。其中采用清洁替代能源能够在一定程度上缓解资源短缺的状况,也是降低内燃机排放的有效方法。煤制油作为主要的石油替代燃料之一,在技术上和商业运作上已经趋于成熟,作为内燃机替代燃料具有良好的应用前景。本研究依托于国家自然科学基金项目,针对持续急剧增加的燃油需求以及日益严格的排放标准,以探索高效清洁的车用替代燃料及同步降低柴油机氮氧化物(NOx)和超细微粒排放为目标,开展煤基费托合成柴油(Coal-to-Oil,CTL)与排气再循环(EGR)、喷油参数复合控制实现内燃机高效清洁燃烧技术研究。试验研究了CTL燃料对压燃式发动机性能、燃烧及排放的影响规律,并与国V石化柴油进行了对比。通过燃料设计,制取CTL与石化燃料、酯类含氧燃料的混合燃料,试验研究不同理化特性燃料以及EGR、喷油参数等边界条件对于燃烧及排放的影响规律。研究结果表明:1、燃料组分及理化特性对发动机的性能、燃烧过程及排放特性有着明显的影响,与普通石化柴油相比,发动机燃用CTL经济性得到改善,在喷油策略不变时转矩略有下降,可以通过调整喷油策略及燃料理化特性进行改善。CTL燃料在燃烧过程中具有良好的着火性,滞燃期较短,压力升高率降低,对缓解柴油机工作粗暴、改善发动机工作平稳性具有积极作用。2、发动机燃用CTL燃料可以有效降低CO、HC、NOx排放量及消光烟度,微粒排放中各模态微粒数量浓度及总微粒数量浓度均低于国V柴油。与普通石化柴油相比,CTL燃料的CO、HC、NOx的十三工况加权平均比排放量分别降低了51.42%、45.62%和14.35%,消光烟度降低范围为33.33%~80%,微粒排放中核态微粒及总微粒数量浓度可降低45%以上。3、引入再循环排气(EGR)后,CTL燃料的NOx排放进一步降低,消光烟度略有增加,燃用CTL燃料能够提高发动机对于EGR的耐受性。在相同EGR率条件下,CTL的NOx、消光烟度及不同粒径范围的微粒数量浓度均低于石化柴油。4、对于瞬变工况,发动机燃用CTL燃料的NOx排放明显低于石化柴油,在未引入EGR情况下,与国V柴油相比,CTL燃料在增负荷过程前期的烟度峰值降低近50%,在增负荷过程结束时刻,消光烟度降低了44.50%;在引入EGR情况下,CTL燃料的消光烟度降幅为63.76%。因此可以发现,CTL燃料的消光烟度对瞬变工况的敏感性低于国V柴油,同时对于瞬变过程中引入EGR的耐受性更好。5、将CTL作为添加剂与普通石化柴油配合使用,可以改善普通石化柴油的理化特性指标,有利于改善经济性、燃烧并降低排放污染物,同时可以改善纯CTL燃料动力性不足的问题。适当提高喷油压力,同时引入大比例EGR可以同步降低CTL/国V柴油混合燃料的NOx及微粒排放。与国V柴油相比,CTL添加比例为60%的C60燃料可以达到良好的性能及排放水平,在喷油压力为120MPa、EGR率为30%条件下,C60的NOx及消光烟度降幅分别为9.42%和27.27%。6、添加含氧燃料DMC有助于进一步降低CTL燃料的CO、HC及微粒排放。燃用DMC添加比例为15%的D15燃料,CO、HC及消光烟度的降低幅度分别为47.62%、62.07%及54.26,但NOx排放增加了10.28%。引入EGR可以进一步降低NOx排放,在30%EGR条件下可以使NOx排放降低近75%,同时燃用D15燃料可以改善引入EGR导致的微粒排放恶化程度。与纯CTL相比,在相同EGR率(30%)条件下,D15燃料的消光烟度和微粒总数量浓度分别降低了61.17%和42.76%。可见通过调整CTL燃料特性协同控制EGR、喷油参数等边界条件,能够同时降低发动机的氮氧化物和微粒排放,缓解柴油机NOx和微粒的矛盾关系,有利于促进CTL燃料在内燃机上的高效清洁利用。